(57)【要約】【課題】  熱電変換用モジュールに作用する熱応力を低減すると共に、熱損失を低減させる。【解決手段】  低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの上端部の絶縁性基板６の上に、両側スケルトン構造の高温域用の熱電変換用モジュール１ｇと、挟持用部材２４を順に載置する。挟持用部材２４と、低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの絶縁性基板６とを、ボルト２５とナット２６により上下方向の両側より締め付けることにより、両者の間に高温域用の熱電変換用モジュール１ｇを挟んで保持させる。高温域用の熱電変換用モジュール１ｇは、挟持用部材２４及び低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの絶縁性基板６に接合されていないため、作用する熱応力は低減される。ボルト２５を介して熱流が伝わっても、絶縁性基板６より低温域用の熱電変換用モジュール１ｆに導いて熱電変換に利用させる。【選択図】図１
2006245224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電性能が優位となる温度域がそれぞれ異なる複数の熱電変換用モジュールを、温度勾
配に合せて積層して、最も高温側となる熱電変換用モジュールの外側に挟持用部材を配置
し、該挟持用部材と低温側の熱電変換用モジュールの高温側にある絶縁性基板との間に、
単数又は複数の熱電変換用モジュールを挟持させるようにした構成を有することを特徴と
する熱電変換用カスケードモジュール。
【請求項２】
熱電性能が優位となる温度域が低温域と高温域で異なる２つの熱電変換用モジュールを
形成し、低温域用の熱電変換用モジュールに、高温域用の熱電変換用モジュールと、挟持
用部材を順に層状に配置し、該挟持用部材と上記低温域用の熱電変換用モジュールの高温
側の絶縁性基板とを、締付冶具により締め付けて、その間に上記高温域用の熱電変換用モ
ジュールを挟持させるようにしてなる構成を有することを特徴とする熱電変換用カスケー
ドモジュール。
【請求項３】
熱電性能が優位となる温度域が低温域と単数又は複数の中温域と高温域でそれぞれ異な
る複数の熱電変換用モジュールを形成し、低温域用の熱電変換用モジュールに、温度勾配
に合せて上記単数又は複数の中温域用の熱電変換用モジュールと、高温域用の熱電変換用
モジュールを順に層状に配置すると共に、該高温域用の熱電変換用モジュールの外側に、
挟持用部材を配置し、該挟持用部材と、低温域用の熱電変換用モジュール又は所要の中温
域用の熱電変換用モジュールにおける高温側の絶縁性基板とを、締付冶具により締め付け
て、その間に少なくとも高温域用の熱電変換用モジュールを含む単数又は複数の熱電変換
用モジュールを挟持させるようにした構成を有することを特徴とする熱電変換用カスケー
ドモジュール。
【請求項４】
締付冶具を、使用時の熱膨張による変形量が、挟持させるようにしてある熱電変換用モ
ジュールの熱膨張による変形量と同程度か又は小さくなるようにした請求項２又は３記載
の熱電変換用カスケードモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電性能が優位となる温度域が異なる熱電材料素子を用いた複数の熱電変換
用モジュールを、温度勾配に合わせて層状に接続して用いる熱電変換用カスケードモジュ
ールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、熱電半導体の熱電特性を利用して熱電発電、熱電冷却、熱電加熱を行う熱電変
換装置は、いずれもその基本構成として、図６にその一例の概略を示す如き熱電変換用モ
ジュール１を備えている。すなわち、図６に示す熱電変換用モジュール１は、所要数のＰ
型の熱電材料素子２とＮ型の熱電材料素子３とを交互に並べ、これらのＰ型熱電材料素子
２とＮ型熱電材料素子３が直列に導通されるように、上記Ｐ型とＮ型の各熱電材料素子２
と３の一端部同士及び他端部同士を、それぞれモジュール電極（金属電極）４及び５を介
し順次接続する。更に、上記各モジュール電極４と５の外側に、耐熱性と熱伝導性を考慮
してアルミナや窒化アルミ等のセラミック製として上記モジュール電極４，５を固定する
絶縁性基板６と７をそれぞれ設けるようにしてある。これにより、上記Ｐ型とＮ型の各熱
電材料素子２と３、及び、該各熱電材料素子２と３の両端部にそれぞれ取り付けられてい
る各モジュール電極４と５が、熱電発電時に各熱電材料素子２，３に対し熱流の作用する
方向又は熱電冷却、熱電加熱時の通電方向の両側から上記絶縁性基板６と７により挟まれ
た構造となるようにしてある。
【０００３】
上記熱電変換用モジュールを用いて熱電発電を行わせる場合は、一方の絶縁性基板６又
は７を熱源より熱を受けるための受熱側とし、且つ他方の絶縁性基板７又は６をヒートシ
ンク等の低熱源側へ熱を放出（排出）するための放熱側として使用するものであるため、
各熱電材料素子２及び３には、熱流の作用する方向に沿って温度勾配が生じると共に、該
各熱電材料素子２及び３の熱流の作用する方向の両側にそれぞれ設けられている絶縁性基
板６と７では、一方が高温になり、他方が低温になるよう互いに温度差が生じる。このた
め、上記絶縁性基板６と７には、上記温度差に依存して熱膨張による変形量に差が生じる
。
【０００４】
又、上記熱電変換用モジュール１を用いて熱電冷却又は熱電加熱を行わせる場合は、各
熱電材料素子２及び３における通電方向の一端側が冷却されると共に、他端側が加熱され
るようになることから、上記各熱電材料素子２及び３には、それぞれ通電方向に沿って温
度勾配が生じる。このため、上記各熱電材料素子２及び３の通電方向の一端側に設けられ
ている絶縁性基板６又は７は冷却される一方、通電方向の他端側の絶縁性基板７又は６は
加熱されるため、該各絶縁性基板６と７に温度差が生じ、このため、冷却されて低温側と
なる絶縁性基板６又は７は熱収縮する一方、加熱されて高温側となる絶縁性基板７又は６
は熱膨張するようになるため、絶縁性基板６と７には変形量に差が生じる。
【０００５】
一方、上記熱電変換用モジュール１におけるモジュール電極４，５と絶縁性基板６，７
との間の熱損失を減らして熱伝導をよくするためには、上記モジュール電極４，５と上記
絶縁性基板６，７とは、それぞれ熱伝導率の高いはんだ材、ろう材、接着剤等を用いて接
合部の面積が大きくなるようにして固定することが理想的である。しかしながら、上記モ
ジュール電極４，５と絶縁性基板６，７とをはんだ材、ろう材、接着剤等を用いて接合し
てしまうと、上記の如く各熱電材料素子２，３に温度勾配が生じるために、該熱電材料素
子２及び３の通電方向の一端側と他端側にそれぞれ設けられている絶縁性基板６と７に温
度差が生じ、低温側となる絶縁性基板６又は７は熱収縮する一方、高温側となる絶縁性基
板７又は６は熱膨張するようになり、絶縁性基板６と７には変形量に差が生じることから
、各熱電材料素子２及び３の一端部をモジュール電極４を介して絶縁性基板６に固定した
位置と、各熱電材料素子３及び２の他端部をモジュール電極５を介して絶縁性基板７に固
定した位置に、絶縁性基板６，７の面方向、すなわち、モジュール広がり方向に沿って相
対的なずれが生じるようになり熱応力が作用して、熱電材料素子２，３が損傷する虞が懸
念される。そのため、熱電変換用モジュール１の構造を、熱応力を逃がすことができるよ
うな構造とすることが考えられている。この種の構造としては、たとえば、一方のモジュ
ール電極５はその外側の絶縁性基板７に固定するようにし、他方のモジュール電極４の外
側の絶縁性基板６を省略するようにした所謂片側スケルトン構造のものが知られている。
これにより、両側に絶縁性基板を設けた場合に生じていた熱応力を逃がすことができるよ
うにしてある。
【０００６】
図７に示すものは従来提案されている片側スケルトン構造の熱電変換用モジュール（ペ
ルチェモジュール）を、冷温蔵庫等における熱伝達用スペーサと放熱用フィンベースとの
間に挟持させて取り付けるようにした一例を示すものである。すなわち、交互配置したＰ
型及びＮ型の各熱電材料素子（ペルチェ素子）２，３の一端部同士及び他端部同士をモジ
ュール電極（回路層）４，５で接合し、且つ該モジュール電極４，５のうち一方のモジュ
ール電極５を絶縁性基板７上に接合してなる片側スケルトン構造とした熱電変換用モジュ
ール（ペルチェモジュール）１ａを、上記絶縁性基板７を下側にして放熱用フィンが取り
付けてある放熱用フィンベース８の上に界面樹脂層９を介して載置し、上記熱電変換用モ
ジュール１ａの上面に界面樹脂層９を介して熱伝達用スペーサ１０を載置している。又、
上記熱伝達用スペーサ１０の左右両端部には貫通孔１１が設けてあり、上記放熱用フィン
ベース８には上記貫通孔１１に対応する位置に結合用螺子孔１２が設けてあって、上記熱
伝達用スペーサ１０の上面から螺子杆体１３を貫通孔１１に挿通させてから上記結合用螺
子孔１２と螺合させて締め付けることにより、片側スケルトン構造の熱電変換用モジュー
ル１ａを、放熱用フィンベース８と熱伝達用スペーサ１０との間に挟持させて取り付ける
ようにしたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００７】
又、図８に示す如く、熱電変換用モジュールの別の形式のものを高温側の熱伝達基板と
低温側の熱伝達基板としてのモジュール基板との間に挟持させて取り付けるようにしたも
のも提案されている。すなわち、それぞれに貫通孔１４を有するＰ型及びＮ型の各熱電材
料素子（熱電変換素子本体）２，３を交互配置して、該熱電材料素子２，３を直列に導通
させるよう一端部同士及び他端部同士を、上記貫通孔１４に対応する位置にそれぞれ貫通
孔１５を有するモジュール電極４（第３の金属セグメント），５（第１，第２の金属セグ
メント）で接合して熱電変換用モジュール（π型熱電変換装置）１ｂを形成し、該熱電変
換用モジュール１ｂにおける上記モジュール電極４の上面に、上記各熱電材料素子２，３
の貫通孔１４に対応する位置に透孔１６を有する高温側熱伝達板１７を耐熱性絶縁シート
１８を介して載置し、一方、上記モジュール電極５の下面に、上記各熱電材料素子２，３
の貫通孔１４に対応する位置に透孔１９を有するモジュール基板２０を絶縁シート２１を
介して配置してある。更に、上記モジュール基板２０の下面から固定ねじ２２を上記モジ
ュール基板２０の透孔１９、上記モジュール電極５の貫通孔１５、上記各熱電材料素子２
，３の貫通孔１４、上記モジュール電極４の貫通孔１５、及び上記高温側熱伝達板１７の
透孔１６に挿通させて、該固定ねじ２２の先端部（上端部）に上記高温側熱伝達板１７の
上面からナット２３を螺合させて締め付けることにより、上記熱電変換用モジュール１ｂ
を、上記高温側熱伝達板１７とモジュール基板２０との間に挟持させて固定するようにし
たものが提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【０００８】
ところで、上記熱電変換用モジュール１，１ａ，１ｂを用いて熱電発電や熱電冷却、熱
電加熱を行わせる場合には、Ｐ型及びＮ型の各熱電材料素子２及び３に対して、熱流の作
用する方向又は通電方向に沿って温度勾配が形成されるようになるが、上記各熱電材料素
子２及び３の熱電性能は、温度に敏感な特性を有している。すなわち、上記Ｐ型及びＮ型
の各熱電材料素子２及び３を構成する熱電材料の組成を、或る温度域で良好な熱電性能を
発揮できるように設定したとしても、その温度域を外れた温度条件の下では、別の組成の
熱電材料の方が、優れた熱電性能を得られることがある。たとえば、一般に、よく知られ
ているビスマス（Ｂｉ）・テルル（Ｔｅ）系の材料組成を有する熱電材料素子は、上限が
２５０〜３００℃程度までの温度範囲であれば比較的良好な熱電性能を示すが、３００℃
以上となるようなより高温の温度条件の下では、鉛テルル系や、シリコン・ゲルマニウム
系、コバルト・アンチモン系、シリサイド系等、別の組成の熱電材料による素子を用いる
方が、より良好な熱電性能を得ることができることがある。
【０００９】
そこで、たとえば、５００〜６００℃あるいは更に高温の熱源により得られる広い温度
領域を利用して熱電発電を行う場合や、熱電冷却や熱電加熱を行う際の冷却あるいは加熱
すべき温度域が広い場合等に用いるための熱電変換用のモジュールとして、モジュール全
体に形成させることが所望される温度勾配の領域を、低温域から高温域までの複数の温度
域に分け、分けられた各温度域ごとに、該各温度域にてそれぞれ良好な熱電性能を得るこ
とができるような材料組成のＰ型及びＮ型の熱電材料素子を用いた熱電変換用モジュール
を形成し、これら低温域から高温域の異なる温度域でそれぞれ優れた熱電性能が得られる
ようにしてある熱電変換用モジュールを、上記モジュール全体に所望される温度勾配に合
わせて積層することにより、熱電変換の効率化を図ることができるようにしたカスケード
型の熱電変換用モジュール（以下、熱電変換用カスケードモジュールという）が提案され
てきている。
【００１０】
図９は従来提案されている上記熱電変換用カスケードモジュールの一例として、ペルチ
ェ効果に基く熱電冷却を目的とした熱電変換用カスケードモジュールを示すもので、図６
に示したと同様に、交互配置したＰ型及びＮ型の各熱電材料素子２，３と、これらの熱電
材料素子２，３を直列に導通させるよう一端部同士及び他端部同士を順次接続するモジュ
ール電極４，５と、上記各モジュール電極４，５の外側に固定した絶縁性基板６，７とか
らなる熱電変換用モジュール１におけるＰ型及びＮ型の熱電材料素子２，３として、それ
ぞれ高温側で良好な熱電性能が得られる熱電材料組成のＰ型及びＮ型の熱電材料素子（熱
電エレメント）２ａ及び３ａを用いてなる熱電変換用モジュール（熱電変換素子）１ｃと
、同様に、それぞれ低温側で良好な熱電性能が得られるＰ型及びＮ型の熱電材料素子（熱
電エレメント）２ｂ及び３ｂを用いてなる熱電変換用モジュール（熱電変換素子）１ｄを
形成し、この優れた熱電性能が得られる温度域が異なる、すなわち、高温域側と低温域側
にそれぞれ温度適性を有する２つの熱電変換用モジュール１ｃと１ｄを、図９に示す如く
上下に積層配置すると共に、下側の熱電変換用モジュール１ｃにおける上端部の絶縁性基
板６と、上側の熱電変換用モジュール１ｄの下端部の絶縁性基板７の互いに相対向する面
同士を、はんだ材、ろう材、接着材等で接合してなる構成としてある。これにより、上記
熱電変換用カスケードモジュールによれば、低温側に温度適性を有する上方の熱電変換用
モジュール１ｄの上面側の絶縁性基板６の上側に取り付けた熱負荷となる部品（図示せず
）より発せられる熱が、上記低温側に温度適性を有する熱電変換用モジュール１ｄにより
吸熱され、更に、高温側に温度適性を有する熱電変換用モジュール１ｃにより、上記熱と
低温側の熱電変換用モジュール１ｄより発熱される熱を吸熱し、該熱電変換用モジュール
１ｃの下端部の絶縁性基板７から排出することができるようにしてある（たとえば、特許
文献３参照）。
【００１１】
なお、上記図９に示したものは、高温側に温度適性を有する下側の熱電変換用モジュー
ル１ｃの上端部の絶縁性基板６と、低温側に温度適性を有する上側の熱電変換用モジュー
ル１ｄの下端部の絶縁性基板７の互いに相対向する面同士を、はんだ材、ろう材、接着材
等で接合するようにしてあるが、上記熱電変換用カスケードモジュールの製造段階におい
て、高温側に温度適性を有する熱電変換用モジュール１ｃの組み立て温度と、低温側に温
度適性を有する熱電変換用モジュール１ｄの耐熱温度が、同じ温度レベルである場合があ
り、そのため、該各熱電変換用モジュール１ｃと１ｄとをそれぞれ別々の製造工程により
組み立てられることがある。このような場合には、熱電変換用カスケードモジュールを形
成すべく積層配置する各熱電変換用モジュール１ｃ，１ｄの相対向する面同士を接合する
ことができないために、図７で示したように、放熱用フィンベース８と熱伝達用スペーサ
１０との間に上記熱電変換用カスケードモジュールを挟持させて取り付けるようにするこ
とが考えられる。
【００１２】
図１０は、相対向する面同士が接合されていない各熱電変換用モジュール１を図７で示
す如く放熱用フィンベース８と熱伝達用スペーサ１０との間に挟持させて取り付けた場合
について示したもので、図７で示したと同様の放熱用フィンベース８の上に、図９で示し
たと同様にそれぞれ高温側で良好な熱電性能が得られる熱電材料組成のＰ型及びＮ型の熱
電材料素子２ａ及び３ａを用いた熱電変換用モジュール１ｃを載置し、又該熱電変換用モ
ジュール１ｃにおける上端部の絶縁性基板６の上に、同じく図９で示したと同様にそれぞ
れ低温側で良好な熱電性能が得られる熱電材料組成のＰ型及びＮ型の熱電材料素子２ｂ及
び３ｂを用いた熱電変換用モジュール１ｄにおけるモジュール電極４の外側の絶縁性基板
６を省略して片側スケルトン構造とした熱電変換用モジュール１ｅを形成して積層配置し
、更に、該熱電変換用モジュール１ｅにおける上端部のモジュール電極４の上に図７で示
したと同様の熱伝達用スペーサ１０を載置して、該熱伝達用スペーサ１０の上面側から螺
子杆体１３を貫通孔１１に挿通させて結合用螺子孔１２に螺着させて締め付けることによ
り、上記熱電変換用モジュール１ｃと上記熱電変換用モジュール１ｅとからなる熱電変換
用カスケードモジュールを、放熱用フィンベース８と熱伝達用スペーサ１０との間に挟持
させて取り付けるようにしてある。
【００１３】
なお、図示していないが、各モジュール電極４，５と各絶縁性基板６，７とを接合した
場合に生じていた熱応力を逃がすことができるような構造のものとしては、図７、図１０
に示すような片側スケルトン構造のほかに、図６に示したと同様の構成における各モジュ
ール電極４，５の外側の絶縁性基板６，７を省略した構造、すなわち、交互配置したＰ型
とＮ型の各熱電材料素子２と３が直列に導通されるよう、これらの熱電材料素子２と３の
一端部と他端部をそれぞれ順次接続するためのモジュール電極４と５を、それぞれ外部に
露出させるようにした所謂両側スケルトン構造としたものも考えられている。
【００１４】
【特許文献１】特開２０００−２５２５２７号公報
【特許文献２】特許第２８７３９６１号公報
【特許文献３】特開２００４−２８１４５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところが、図１０に示したように、熱電変換用カスケードモジュールを、放熱用フィン
ベース８と熱伝達用スペーサ１０との間に螺子杆体１３を用いて挟持させて取り付けるよ
うにしたのでは、熱伝達用スペーサ１０と放熱用フィンベース８とが螺子杆体１３を介し
て連通されており、該螺子杆体１３を介して熱が上記熱伝達用スペーサ１０から放熱用フ
ィンベース８に直接伝わってしまうと共に、一般に熱電材料素子２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂ
は熱伝導率が低いために上記螺子杆体１３から更に熱流が逃げ易くなってしまい発電効率
や冷却効率、加熱効率が低下するという虞が懸念される。
【００１６】
又、特許文献２に記載されているものは、各熱電材料素子２，３にそれぞれ貫通孔１４
を設けて、熱電変換用カスケードモジュールを高温側熱伝達板１７とモジュール基板２０
との間に挟持させ、固定ねじ２２を用いて取り付けるようにしたものであるため、高温側
熱伝達板１７とモジュール基板２０とが固定ねじ２２を介して連通されてしまい、又、各
熱電材料素子（熱電変換素子本体）２，３の数だけ固定ねじ２２が用いられているために
、該固定ねじ２２から更に熱流が逃げ易くなって発電効率が低下するという虞が懸念され
る。
【００１７】
なお、特許文献３に記載されている熱電変換用カスケードモジュールを構成する各熱電
変換用モジュール（熱電変換素子）１ｃ，１ｄは、共に各モジュール電極４，５の外側に
絶縁性基板６，７が設けるようにしてあり、構成上作用する熱応力を逃がすようなものと
はなっていない。
【００１８】
そこで、本発明は、高温域側と低温域側にそれぞれ温度適性を有する熱電変換用モジュ
ールを積層してカスケード型とするときに、高温側の熱電変換用モジュールに作用する熱
応力を逃がすようにすることができるようにし且つ従来の如き締付用冶具を通しての熱ロ
スをなくすようにして発電効率や冷却効率、加熱効率の低下を防止することができるよう
にした熱電変換用カスケードモジュールを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に係る発明に対応するように、熱電性
能が優位となる温度域がそれぞれ異なる複数の熱電変換用モジュールを、温度勾配に合せ
て積層して、最も高温側となる熱電変換用モジュールの外側に挟持用部材を配置し、該挟
持用部材と低温側の熱電変換用モジュールの高温側にある絶縁性基板との間に、単数又は
複数の熱電変換用モジュールを挟持させるようにした構成とする。
【００２０】
又、請求項２に係る発明に対応して、熱電性能が優位となる温度域が低温域と高温域で
異なる２つの熱電変換用モジュールを形成し、低温域用の熱電変換用モジュールに、高温
域用の熱電変換用モジュールと、挟持用部材を順に層状に配置し、該挟持用部材と上記低
温域用の熱電変換用モジュールの高温側の絶縁性基板とを、締付冶具により締め付けて、
その間に上記高温域用の熱電変換用モジュールを挟持させるようにしてなる構成とする。
【００２１】
更に、請求項３に係る発明に対応して、熱電性能が優位となる温度域が低温域と単数又
は複数の中温域と高温域でそれぞれ異なる複数の熱電変換用モジュールを形成し、低温域
用の熱電変換用モジュールに、温度勾配に合せて上記単数又は複数の中温域用の熱電変換
用モジュールと、高温域用の熱電変換用モジュールを順に層状に配置すると共に、該高温
域用の熱電変換用モジュールの外側に、挟持用部材を配置し、該挟持用部材と、低温域用
の熱電変換用モジュール又は所要の中温域用の熱電変換用モジュールにおける高温側の絶
縁性基板とを、締付冶具により締め付けて、その間に少なくとも高温域用の熱電変換用モ
ジュールを含む単数又は複数の熱電変換用モジュールを挟持させるようにした構成とする
。
【００２２】
更に又、上記各構成における締付冶具を、使用時の熱膨張による変形量が、挟持させる
ようにしてある熱電変換用モジュールの熱膨張による変形量と同程度か又は小さくなるよ
うにした構成とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の熱電変換用カスケードモジュールによれば、次の如き優れた効果を発揮する。
（１）熱電性能が優位となる温度域がそれぞれ異なる複数の熱電変換用モジュールを、温
度勾配に合せて積層して、最も高温側となる熱電変換用モジュールの外側に挟持用部材を
配置し、該挟持用部材と低温側の熱電変換用モジュールの高温側にある絶縁性基板との間
に、単数又は複数の熱電変換用モジュールを挟持させるようにした構成、具体的には、熱
電性能が優位となる温度域が低温域と高温域で異なる２つの熱電変換用モジュールを形成
し、低温域用の熱電変換用モジュールに、高温域用の熱電変換用モジュールと、挟持用部
材を順に層状に配置し、該挟持用部材と上記低温域用の熱電変換用モジュールの高温側の
絶縁性基板とを、締付冶具により締め付けて、その間に上記高温域用の熱電変換用モジュ
ールを挟持させるようにしてなる構成、又は、熱電性能が優位となる温度域が低温域と単
数又は複数の中温域と高温域でそれぞれ異なる複数の熱電変換用モジュールを形成し、低
温域用の熱電変換用モジュールに、温度勾配に合せて上記単数又は複数の中温域用の熱電
変換用モジュールと、高温域用の熱電変換用モジュールを順に層状に配置すると共に、該
高温域用の熱電変換用モジュールの外側に、挟持用部材を配置し、該挟持用部材と、低温
域用の熱電変換用モジュール又は所要の中温域用の熱電変換用モジュールにおける高温側
の絶縁性基板とを、締付冶具により締め付けて、その間に少なくとも高温域用の熱電変換
用モジュールを含む単数又は複数の熱電変換用モジュールを挟持させるようにした構成と
してあるので、高温側の挟持用部材と、低温域用の熱電変換用モジュールの低温側の絶縁
性基板との間で、熱電材料素子を経由しない熱伝導が生じる虞を解消できる。  
（２）これにより、熱電発電時には、締付冶具を通る熱流が生じたとしても、該熱流を低
温域用の熱電変換用モジュールにおける熱電材料素子により、熱電発電のための熱源とし
て確実に利用することができて、熱損失を抑えることができる。  
（３）熱電冷却時、熱電加熱時には、加熱側端部と冷却側端部との間で熱電材料素子を経
由しない熱伝導が生じなくなるため、熱電冷却や熱電加熱の効率を向上させることができ
る。  
（４）狭持されている高温側の熱電変換用モジュールは、狭持用部材及び低温側の熱電変
換用モジュールの高温側にある絶縁性基板とは接触されているのみであって、接合されて
いないため、大きな熱応力が作用する虞を未然に防止できる。このため、上記高温側の熱
電変換用モジュールにおける熱電材料素子の損傷を抑制することができる。  
（５）更に、本発明の熱電変換用カスケードモジュールの製造段階において、高温側の熱
電変換用モジュールの組み立て温度と、低温側の熱電変換用モジュールの耐熱温度が同じ
温度レベルの場合に、上記高温域側の熱電変換用モジュールを、上記低温側の熱電変換用
モジュールとは別に製造・組み立てを行うことができる。  
（６）締付冶具を、使用時の熱膨張による変形量が、挟持させるようにしてある熱電変換
用モジュールの熱膨張による変形量と同程度か又は小さくなるようにした構成とすること
により、本発明の熱電変換用カスケードモジュールの使用時に、上記締付冶具による締め
付けによって狭持されている高温側の熱電変換用モジュールの狭持する力が低減する虞を
防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００２５】
図１は本発明の熱電変換用カスケードモジュールの実施の一形態を示すもので、図６に
示した熱電変換用モジュールと同様に、交互配置したＰ型熱電材料素子２及びＮ型熱電材
料素子３と、これらの熱電材料素子２と３とを直列に導通させるよう上記Ｐ型とＮ型の各
熱電材料素子の一端部同士及び他端部同士を順次接続するモジュール電極４及び５と、上
記各モジュール電極４及び５の外側にそれぞれ取り付けた絶縁性基板６及び７とからなる
構成としてある熱電変換用モジュールにおいて、上記Ｐ型熱電材料素子２とＮ型熱電材料
素子３として、モジュール全体に形成させることが所望される温度勾配の領域を低温域か
ら高温域までの複数の温度域、たとえば、低温域と高温域の２つの温度域に分けたときの
低温域で良好な熱電性能が得られるような熱電材料組成としてあるＰ型熱電材料素子２ｃ
とＮ型熱電材料素子３ｃを用いて低温域用の熱電変換用モジュール１ｆを形成する。又、
同様に、上記Ｐ型熱電材料素子２とＮ型熱電材料素子３として、上記２つに分けた温度域
のうちの高温域にて良好な熱電性能がそれぞれ得られるような熱電材料組成としてあるＰ
型熱電材料素子２ｄとＮ型熱電材料素子３ｄを用いて、該Ｐ型及びＮ型の各熱電材料素子
２ｄ及び３ｄと、これらの熱電材料素子２ｄと３ｄを直列に導通させるよう一端部同士及
び他端部同士を順次接続するモジュール電極４及び５とを備えてなる高温域用の熱電変換
用モジュール１ｇを形成する。
【００２６】
更に、上記低温域で良好な熱電性能を発揮できるようにしてある低温域用の熱電変換用
モジュール１ｆにおける図上上端部の絶縁性基板６の上側に、上記高温域で良好な熱電性
能を発揮できるようにしてある高温域用の熱電変換用モジュール１ｇと、所要面積として
ある平板状の挟持用部材２４を順に載置して、該挟持用部材２４と、上記低温域用の熱電
変換用モジュール１ｆの上端部の絶縁性基板６とを、締付冶具としてのボルト２５とナッ
ト２６を用いて上下方向の両側から締め付けることにより、上記挟持用部材２４と低温域
用の熱電変換用モジュール１ｆの上端部の絶縁性基板６との間に、上記高温域用の熱電変
換用モジュール１ｇを挟持させて、低温域と高温域にそれぞれ温度適性を有する熱電変換
用モジュール１ｆと１ｇとを積層してなるカスケード型のモジュールを構成する。
【００２７】
詳述すると、上記低温域用の熱電変換用モジュール１ｆは、Ｐ型及びＮ型の各熱電材料
素子２ｃ及び３ｃの熱電材料組成を、たとえば、ビスマス・テルル系の組成とすることに
より、上記のような低温域にて優れた熱電性能、すなわち、高い熱電変換効率を得ること
ができるものとしてある。又、上記低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの絶縁性基板６
及び７は、共に絶縁性と耐熱性を備えたアルミナや窒化アルミ等のセラミック製としてあ
り、互いに対向する面部となるそれぞれの内側面に、上記各熱電材料素子２ｃと３ｃの一
端部同士及び他端部同士を順次接続するモジュール電極４と５を、はんだ等の熱伝導率の
高い接合手段により接合するようにしてある。
【００２８】
更に、上記低温域用の熱電変換用モジュール１ｆにおける各絶縁性基板６と７のうち、
上側に位置する絶縁性基板６、すなわち、高温域用の熱電変換用モジュール１ｇと接する
側となる絶縁性基板６は、上記各モジュール電極４の接合を行う領域よりも一回り大きな
サイズを有するようにしてあり、モジュール電極４の接合と干渉しない外周縁部の周方向
所要間隔位置に、複数のボルト挿通孔２７を穿設するようにしてある。
【００２９】
一方、上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇは、Ｐ型及びＮ型の各熱電材料素子２
ｄ及び３ｄの熱電材料組成を、たとえば、鉛テルル系や、シリコン・ゲルマニウム系、コ
バルト・アンチモン系、シリサイド系等、上記低温域用の熱電変換用モジュール１ｆにお
ける各熱電材料素子２ｃ及び３ｃに比して、より高い温度領域にて良好な熱電性能を得ら
れるような熱電材料組成としてある。更に、上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇは
、本発明の熱電変換用カスケードモジュールの使用時には、高温域に配されるようになる
ものであることから、使用時に作用することとなる熱応力を考慮して、上記各熱電材料素
子２ｄと３ｄの一端部同士及び他端部同士をそれぞれ順次接続している各モジュール電極
４及び５の外側の絶縁性基板を省略して、該各モジュール電極４，５をそれぞれ外部に露
出させてなる両側スケルトン構造としてある。
【００３０】
上記挟持用部材２４は、絶縁材料製として、その形状を、上記低温域用の熱電変換用モ
ジュール１ｆにおける上端部の絶縁性基板６と同様の形状としてあり、更に、外周縁部に
おける周方向所要間隔の複数個所に、上記低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの絶縁性
基板６の外周縁部に穿設してある各ボルト挿通孔２７と個々に対応するボルト挿通孔２８
が穿設してある。なお、上記挟持用部材２４は、本発明の熱電変換用カスケードモジュー
ルを熱電発電に用いるためのものとする場合には、たとえば、輻射熱を受け易い黒体製と
して、受熱板として機能できるようにしてもよい。
【００３１】
上記ボルト２５は、上記挟持用部材２４と低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの上端
部の絶縁性部材６との間に、高温域用の熱電変換用モジュール１ｇを配置した図１に示す
状態にて、上記挟持用部材２４の上側より、該挟持用部材２４のボルト挿通孔２８と、対
応する上記低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの絶縁性基板６のボルト挿通孔２７に順
に挿通させると、先端部が上記絶縁性基盤６の下方に所要量突出するような長さ寸法とし
てある。図１に示す如く、ボルト２５を、挿通孔２８，２７に挿通させて、上記ボルト２
５の先端部に絶縁性基板６の下側よりナット２６を螺着させて締め込むことにより、上記
挟持用部材２４と、低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの上端部の絶縁性基板６とを上
下方向の両側から締め付けることができる。これにより、上記高温域用の熱電変換用モジ
ュール１ｇを、挟持用部材２４と低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの上端部の絶縁性
基板６との間に挟んで保持できるようにしてある。
【００３２】
更に、上記ボルト２５は、熱膨張率が、上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇの熱
膨張率、より具体的には、該高温域用の熱電変換用モジュール１ｇにおける熱流の作用す
る方向又は通電方向（図上上下方向）の熱膨張率と同程度か又はやや小さくなるようにし
てある。これにより、本発明の熱電変換用カスケードモジュールの使用時に、使用環境の
温度が上記各ボルト２５に作用するときにも、上記挟持用部材２４と低温域用の熱電変換
用モジュール１ｆの上端部の絶縁性基板６との間にて上記高温域用の熱電変換用モジュー
ル１ｇを挟持するときの力が低減する虞を防止できるようにしてある。すなわち、ボルト
２５の熱膨張率が上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇの熱膨張率と同程度としてあ
る場合には、各ボルト２５に熱膨張に伴って長手方向の伸び変形が生じても、その変形量
は、上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇの図上上下方向の熱膨張量も同程度となる
ため、挟持用部材２４と低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの絶縁性基板６との間で上
記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇを挟持する力を、初期状態と同様に維持すること
ができる。一方、ボルト２５の熱膨張率が上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇの熱
膨張率よりもやや小さい場合には、上記各ボルト２５の熱膨張に伴う長手方向の伸び変形
量が、上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇの図上上下方向の熱膨張量を下回るため
、上記挟持用部材２４と低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの絶縁性基板６との間にて
、上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇを、より強く挟持できるようになる。
【００３３】
なお、上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇを、挟持用部材２４と低温域用の熱電
変換用モジュール１ｆの上端部の絶縁性基板６との間に挟持させるときに、たとえば、上
記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇの各モジュール電極４，５の表面（外側面）に、
予め高温グリスを塗付しておくことにより、該高温域用の熱電変換用モジュール１ｇの各
モジュール電極４又は５と、挟持用部材２４又は低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの
絶縁性基板６との接触部分に作用する摩擦力を低減させるようにしてもよい。
【００３４】
以上の如き構成としてあるので、上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇにおいては
、各モジュール電極４と挟持用部材２４の接触部分、及び、各モジュール電極５と低温域
用の熱電変換用モジュール１ｆの絶縁性基板６との接触部分が、それぞれモジュール広が
り方向の相対変位を許容できる構造となるようにしてある。又、低温域用の熱電変換用モ
ジュール１ｆにおいては、上端部の絶縁性基板６と下端部の絶縁性基板７との間に、各熱
電材料素子２ｃ及び３ｃを経由しない熱伝導が生じる虞を解消できるようにしてある。
【００３５】
なお、図１における低温域用と高温域用の各熱電変換用モジュール１ｆと１ｇの上下位
置は、両者を積層配置した状態を図示するための便宜上の配置であって、本発明の熱電変
換用カスケードモジュールの製造時や使用時における低温域用と高温域用の各熱電変換用
モジュール１ｆと１ｇの配置を規定するものではない。したがって、本発明の熱電変換用
カスケードモジュールを使用するときの姿勢としては、高温域用及び低温域用の熱電変換
用モジュール１ｆ，１ｇの向きを自在に設定してよい。後述する各実施の形態についても
同様とする。
【００３６】
本発明の熱電変換用カスケードモジュールを、たとえば、熱電発電に用いる場合は、低
温域用の熱電変換用モジュール１ｆにて外部に露出されている下端部の絶縁性基板７を、
図１に示す如く、低熱源となるヒートシンク２９に取り付けるようにし、一方、高温域用
の熱電変換用モジュール１ｇの上側に配されている挟持用部材２４を、受熱面として高温
の熱源に晒すと、該熱源より挟持用部材２４へ受けられた熱により、上記高温域用の熱電
変換用モジュール１ｇにおける各熱電材料素子２ｄと３ｄを直列に順次接続しているモジ
ュール電極４と５のうち、上記挟持用部材２４に接している一方のモジュール電極４が加
熱されるようになるため、上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇにて熱電発電が行わ
れる。
【００３７】
上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇにおける熱電発電により熱エネルギーの一部
が消費されることにより、熱流は、該高温域用の熱電変換用モジュール１ｇの各熱電材料
素子２ｄと３ｄを通過するときに温度低下され、これにより、低温域用の熱電変換用モジ
ュール１ｆにて良好な熱電性能が得られるような所要温度とされた後、該各熱電材料素子
２ｄと３ｄの下端面同士を接続しているモジュール電極５より、低温域用の熱電変換用モ
ジュール１ｆの絶縁性基板６へ伝えられる。該低温域用の熱電変換用モジュール１ｆでは
、上記絶縁性基板６へ伝えられた熱により、各熱電材料素子２ｃと３ｃを直列に順次接続
しているモジュール電極４と５のうち、上記絶縁性基板６に接合されている一方のモジュ
ール電極４が加熱されるようになるため、上記低温域用の熱電変換用モジュール１ｆにて
熱電発電が行われるようになる。その後、残存している熱は、ヒートシンク２９へ伝えら
れて雰囲気中へ放散される。
【００３８】
上記のような熱電発電時には、熱源より上記挟持用部材２４に受けられた熱の一部が、
高温域用の熱電変換用モジュール１ｇを挟持用部材２４と低温域用の熱電変換用モジュー
ル１ｆの上端部の絶縁性基板６との間に挟持させるために用いている締付冶具としてのボ
ルト２５を経て伝えられるようになるが、該ボルト２５は、低温域用の熱電変換用モジュ
ール１ｆにおける上端部の、すなわち、高温側となる絶縁性基板６までしか達しておらず
、ヒートシンク２９と接して低温側となる絶縁性基板７やヒートシンク２９とは直接接し
ていないため、上記ボルト２５を経て伝えられる熱流は、低温域用の熱電変換用モジュー
ル１ｆにおける上端部の絶縁性基板６より、モジュール電極４を経て、低温域において優
れた熱電性能を有するビスマス・テルル系の熱電材料組成としてある各熱電材料素子２ｃ
，３ｃに伝えられるようになるため、低温域用の熱電変換用モジュール１ｆにて熱電発電
を行わせるための熱源として確実に利用することができて、熱損失を抑えることができる
ようになる。
【００３９】
又、該挟持用部材２４と、高温域用の熱電変換用モジュール１ｇのモジュール電極４と
の接触部分、及び、該高温域用の熱電変換用モジュール１ｇのモジュール電極５と低温域
用の熱電変換用モジュール１ｆの絶縁性基板６との接触部分は、いずれも接合されること
なく単に接しているのみであって、モジュール広がり方向の相対変位を許容できるように
してあることから、上記熱電発電時に、高温の熱源に曝される挟持用部材２４と、高温域
用の熱電変換用モジュール１ｇと、低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの絶縁性基板６
との間で、熱膨張するときの変形量に差が生じたとしても、上記高温域用の熱電変換用モ
ジュール１ｇの各熱電材料素子２ｄ，３ｄに作用するモジュール広がり方向の熱応力を低
減できて、該各熱電材料素子２ｄ，３ｄの熱応力による損傷を未然に防止することができ
る。
【００４０】
なお、上記低温域用の熱電変換用モジュール１ｆには、上記高温域用の熱電変換用モジ
ュール１ｇを通過して温度低下した熱流が作用するのみであると共に、下端側の絶縁性基
板７をヒートシンク２９により直接冷却できるため、該低温域用の熱電変換用モジュール
１ｆのモジュール広がり方向の熱応力はあまり大きなものとはならない。したがって、該
低温域用の熱電変換用モジュール１ｆにおいても、各熱電材料素子２ｃ，３ｃの熱応力に
よる損傷を未然に防止できる。
【００４１】
更に、高温域用の熱電変換用モジュール１ｇは、ボルト２５とナット２６で固定するよ
うにしてあるため、本発明の熱電変換用カスケードモジュールの製造段階において、上記
高温域用の熱電変換用モジュール１ｇの組み立て温度と、低温域用の熱電変換用モジュー
ル１ｆの耐熱温度が、同じ温度レベルの場合であっても、上記高温域用の熱電変換用モジ
ュール１ｇと上記低温域用の熱電変換用モジュール１ｆとを別々の製造工程で製造するこ
とができて、組み立てを別々に行うことができる。
【００４２】
上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇの挟持用部材２４を、黒体製の受熱板とすれ
ば、高温域用の熱電変換用モジュール１ｇを単に保持するだけでなく、熱源の熱を受け易
くすることができて、発電効率を更に向上させることが可能となる。
【００４３】
なお、上記本発明の熱電変換用カスケードモジュールは、熱電冷却や熱電加熱に用いて
もよく、高温域用の熱電変換用モジュール１ｇ及び低温域用の熱電変換用モジュール１ｆ
に対し、いずれも、各熱電材料素子２ｄと３ｄ又は２ｃと３ｃの上端部が加熱側、下端部
が冷却側となるように通電するようにすればよい。これにより、上記したと同様に高温域
用の熱電変換用モジュール１ｇでは、モジュール広がり方向に作用する熱応力を軽減でき
ると共に、加熱面となる高温域用の熱電変換用モジュール１ｇ上側の挟持用部材２４と、
冷却面となる低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの下端部の絶縁性基板７との間で、締
付冶具としてのボルト２５を介した熱伝導が生じる虞を解消できることから、熱電冷却や
熱電加熱を効率よく行うことができる。
【００４４】
次に、図２は、本発明の実施の他の形態を示すもので、図１に示したと同様の構成にお
いて、高温域用の熱電変換用モジュール１ｇを、両側スケルトン構造のものとする構成に
代えて、片側スケルトン構造の高温域用の熱電変換用モジュール１ｈを用いるようにした
ものである。
【００４５】
すなわち、上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｈは、図１に示した高温域用の熱電
変換用モジュール１ｇにおける上下両端部のモジュール電極４，５のうち、低温側となる
下端部のモジュール電極５の下側（外側）にのみ絶縁性基板７を設けて片側スケルトン構
造としてある。なお、図２において図１に示したものと同一のものには同一符号が付して
ある。
【００４６】
本実施の形態によっても、高温の熱源に曝される挟持用部材２４と、高温域用の熱電変
換用モジュール１ｈのモジュール電極４との接触部分、及び、該高温域用の熱電変換用モ
ジュール１ｈの下端部の絶縁性基板７と低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの上端部の
絶縁性基板６との接触部分は、いずれも接合されることなく単に接しているのみであって
、モジュール広がり方向の相対変位を許容できることから、上記高温域用の熱電変換用モ
ジュール１ｈの各熱電材料素子２ｄ，３ｄに作用するモジュール広がり方向の熱応力を低
減できて、該各熱電材料素子２ｄ，３ｄの熱応力による損傷を未然に防止することができ
る。したがって、図１に示した実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４７】
次いで、図３は本発明の実施の更に他の形態を示すもので、図１に示したと同様の構成
において、挟持用部材２４と低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの上端部の絶縁性基板
６とを締め付けるための締付冶具としてボルト２５とナット２６を用いた構成に代えて、
上記挟持用部材２４と低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの絶縁性基板６を、締付冶具
としての外枠３０により締め付ける構成としたものである。
【００４８】
詳述すると、上記外枠３０は、挟持用部材２４の周辺部と低温域用の熱電変換用モジュ
ール１ｆの絶縁性基板６の周辺部との間に跨がるような長さを有し且つ両端部を横方向へ
屈曲させて断面形状をコの字型となるようにしてある。更に、両端（図上上下両端）の各
屈曲部３０ａと３０ｂの間の距離が、高温域用の熱電変換用モジュール１ｇの上下両側に
配置した挟持用部材２４の上面から低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの絶縁性基板６
の下面までの寸法よりもやや長くなるようにしてあって、高温域用の熱電変換用モジュー
ル１ｇを間に挟んだ状態で挟持用部材２４と低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの絶縁
性基板６を、一緒に上記上下の各屈曲部３０ａと３０ｂの間に受け入れることができるよ
うにしてある。更に又、上記上端部の屈曲部３０ａにおける長手方向所要間隔位置に、上
下方向に貫通するネジ孔３１を設けて、ネジ３２を螺合させることができるようにしてあ
る。これにより、図１に示したと同様に、低温域用の熱電変換用モジュール１ｆにおける
絶縁性基板６の上側に、高温域用の熱電変換用モジュール１ｇを載置し、該高温域用の熱
電変換用モジュール１ｇの上端部のモジュール電極４の上側に挟持用部材２４を載置した
状態にて、上記外枠３０を、図３に示す如く、挟持用部材２４と低温域用の熱電変換用モ
ジュール１ｆにおける絶縁性基板６の辺部に複数個所より嵌合させた後、各上端側の屈曲
部３０ａに設けてあるネジ孔３１にそれぞれネジ３２を螺合させて、締め込むことにより
、該各ネジ３２の先端部と下端側の屈曲部３０ｂとの間で、上記挟持用部材２４と低温域
用の熱電変換用モジュール１ｆにおける絶縁性基板６を上下方向から締め付けることがで
きて、該挟持用部材２４と低温域用の熱電変換用モジュール１ｆにおける絶縁性基板６に
、高温域用の熱電変換用モジュール１ｇを挟んで保持することができるようにしてある。
【００４９】
更に、上記外枠３０は、図１に示した実施の形態におけるボルト２５と同様に、熱膨張
率が、上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇの熱膨張率と同程度か又はやや小さくな
るようにしてある。
【００５０】
なお、上記外枠３０は、たとえば、耐熱性のセラミック等で熱伝導率の低い素材のもの
を用いるようにしてもよい。
【００５１】
その他の構成は、図１に示したものと同じであり、同じものには同一符号が付してある
。
【００５２】
本実施の形態によっても、図１に示した実施の形態と同様の効果を得ることができると
共に、上記外枠３０として熱伝導率の低い素材のものを用いた場合には、該外枠３０を経
て挟持用部材２４から低温域用の熱電変換用モジュール１ｆにおける上端部の絶縁性基板
６ヘ伝わる熱流、すなわち、損失する熱流をより低減させることが可能となるため、高温
域用の熱電変換用モジュール１ｇに流れる熱流を増加させることが可能となり、更に熱電
発電や熱電冷却、熱電加熱を行うときの効率の向上化を図ることが可能となる。
【００５３】
次に、熱電変換用カスケードモジュールを構成する熱電変換用モジュールを３層以上と
する場合について説明する。
【００５４】
上記のように、熱電変換用カスケードモジュールにおける熱電変換用モジュールの積層
数を３層以上とする場合には、最も高温側となる熱電変換用モジュールと、最も低温側と
なる低温域用の熱電変換用モジュールとの間に配置される単数又は複数の中間層の熱電変
換用モジュールについて、本発明の熱電変換用カスケードモジュールの使用時に作用する
こととなる温度を考慮して、該各中間層の熱電変換用モジュールを、挟持用部材２４と、
低温側に隣接する別の熱電変換用モジュールの基板との間で、高温側に隣接する熱電変換
用モジュールと一緒に挟持させる保持構造とするか、あるいは、低温側に隣接する別の熱
電変換用モジュールの基板に一体に接合する取付方法とするかを決定する必要がある。
【００５５】
すなわち、或る中間層の熱電変換用モジュールに対し、本発明の熱電変換用カスケード
モジュールの使用時に形成される温度勾配のうち、中間領域のうちの所要の温度領域が作
用するときに、該中間層の熱電変換用モジュールが、各熱電材料素子の両端部を接続して
いる各モジュール電極４，５をいずれも絶縁性基板６，７に接合してなる構造を備えてい
るとした場合に、各絶縁性基板６と７に熱膨張の変形量の差が生じることによって、上記
各熱電材料素子に対して損傷をもたらすような大きな熱応力が作用する虞が想定される場
合には、該中間層の熱電変換用モジュールを、両側スケルトン構造又は片側スケルトン構
造にすると共に、該中間層の熱電変換用モジュールは、高温側に隣接する熱電変換用モジ
ュールと一緒に、挟持用部材２４と、低温側に隣接する別の熱電変換用モジュールの基板
との間で挟持させて保持させるようにする。
【００５６】
一方、或る中間層の熱電変換用モジュールに対し、本発明の熱電変換用カスケードモジ
ュールの使用時に形成される温度勾配のうち、中間領域のうちの所要の温度領域が作用す
るときの温度が比較的低温であって、該中間層の熱電変換用モジュールが、各熱電材料素
子の両端部を接続している各モジュール電極４，５の外側に絶縁性基板６，７をそれぞれ
接合してなる構造を備えていても、モジュール広がり方向に生じる熱応力があまり大きな
ものとならず、したがって、上記各熱電材料素子に対して損傷をもたらすような大きな熱
応力が作用する虞がない場合には、上記中温域用の熱電変換用モジュールを、低温側に隣
接する熱電変換用モジュールの基板に一体に接合してなる形式のものとするようにする。
【００５７】
図４は、本発明の別の実施の形態として、熱電変換用カスケードモジュールを構成する
熱電変換用モジュールを、たとえば、３層とし、中間層の熱電変換用モジュールを、挟持
用部材２４と、低温側に隣接する別の熱電変換用モジュールの基板との間で、高温側に隣
接する熱電変換用モジュールと一緒に挟持させて保持させる場合の適用例を示すものであ
る。
【００５８】
すなわち、図１に示したと同様に、低温域用の熱電変換用モジュール１ｆと両側スケル
トン構造の高温域用の熱電変換用モジュール１ｇとを形成する。更に、上記低温域用の熱
電変換用モジュール１ｆの各熱電材料素子２ｃ，３ｃよりも高温側で且つ上記高温域用の
熱電変換用モジュール１ｇの各熱電材料素子２ｄ，３ｄよりも低温側となる温度域（中温
域）にて良好な熱電性能が得られる熱電材料組成のＰ型及びＮ型の各熱電材料素子２ｅ，
３ｅをそれぞれ用いて、該各熱電材料素子２ｅ，３ｅと、これらの熱電材料素子２ｅ，３
ｅの一端部同士及び他端部同士を順次接続するモジュール電極４及び５からなる上記高温
域用の熱電変換用モジュール１ｇと同様の両側スケルトン構造の中温域用の熱電変換用モ
ジュール１ｉを形成する。更に、上記低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの上端部の絶
縁性基板６上に、上記中温域用の熱電変換用モジュール１ｉと、後述する絶縁性基盤３３
と、高温域用の熱電変換用モジュール１ｇと、図１に示したと同様の挟持用部材２４とを
順に積層配置し、該挟持用部材２４と上記低温域用の熱電変換用モジュール１ｆにおける
上端部の絶縁性基板６とを、締付冶具としてのボルト２５ａとナット２６を用いて上下方
向から締め付けることにより、該挟持用部材２４と低温域用の熱電変換用モジュール１ｆ
の上端部の絶縁性基板６との間に、上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇ、絶縁性基
板３３、中温域用の熱電変換用モジュール１ｉを挟持する。
【００５９】
上記絶縁性基板３３は、絶縁性と耐熱性を備えたアルミナや窒化アルミ等のセラミック
製とし、上記挟持用部材２４と同様の形状とすると共に、該挟持用部材２４の外周縁部の
ボルト挿通孔２８とそれぞれ対応する外周縁部所要個所に、それぞれボルト挿通孔３４を
穿設してなる構成としてある。これにより、上記挟持用部材２４の上方より、ボルト２５
ａを、該挟持用部材２４のボルト挿通孔２８、上記絶縁性基板３３のボルト挿通孔３４、
上記低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの絶縁性基板６のボルト挿通孔２７に順に通し
た後、該絶縁性基板６の下方に突出する先端部に、ナット２６を螺着させて締め込むこと
で、上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇを、挟持用部材２４と絶縁性基板３３との
間に、又、中温域用の熱電変換用モジュール１ｉを、上記絶縁性基板３３と低温域用の熱
電変換用モジュール１ｆの上端部の絶縁性基板６との間にそれぞれ挟んで保持できるよう
にしてある。
【００６０】
更に、上記ボルト２５ａは、熱膨張率が、上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇの
熱膨張率と中温域用の熱電変換用モジュール１ｉの熱膨張率の平均と同程度か又はやや小
さくなるようにしてある。これにより、本発明の熱電変換用カスケードモジュールの使用
時に、使用環境の温度が上記各ボルト２５ａに作用するときにも、上記挟持用部材２４と
低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの上端部の絶縁性基板６との間にて上記高温域用の
熱電変換用モジュール１ｇ、絶縁性基板３３、中温域用の熱電変換用モジュール１ｉを挟
持するときの力が低減する虞を防止できるようにしてある。
【００６１】
その他の構成は図１に示したものと同様であり、同一のものには同一符号が付してある
。
【００６２】
本実施の形態によれば、本発明の熱電変換用カスケードモジュールを、たとえば、熱電
発電に用いる場合は、低温域用の熱電変換用モジュール１ｆにて外部に露出されている下
端部の絶縁性基板７を、図１に示したと同様に低熱源となるヒートシンク２９に取り付け
るようにし、一方、高温域用の熱電変換用モジュール１ｇの上側に配されている挟持用部
材２４を、受熱面として高温の熱源に晒すと、該熱源より挟持用部材２４へ受けられた熱
により、上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇにおける各熱電材料素子２ｄと３ｄを
直列に順次接続しているモジュール電極４と５のうち、上記挟持用部材２４に接している
一方のモジュール電極４が加熱されるようになるため、上記高温域用の熱電変換用モジュ
ール１ｇにて熱電発電が行われる。
【００６３】
上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇにおける熱電発電により熱エネルギーの一部
が消費されることにより、熱流は、該高温域用の熱電変換用モジュール１ｇの各熱電材料
素子２ｄと３ｄを通過するときに温度低下され、これにより、中温域用の熱電変換用モジ
ュール１ｉにて良好な熱電性能が得られるような所要温度とされた後、該各熱電材料素子
２ｄと３ｄの下端面同士を接続しているモジュール電極５より、絶縁性基板３３を介して
中温域用の熱電変換用モジュール１ｉにおける各熱電材料素子２ｅと３ｅの上端部同士を
接続しているモジュール電極４へ伝えられる。該中温域用の熱電変換用モジュール１ｉで
は、上記モジュール電極４へ伝えられた熱により、各熱電材料素子２ｅと３ｅを直列に順
次接続しているモジュール電極４と５のうち、上記一方のモジュール電極４が加熱される
ようになるため、上記中温域用の熱電変換用モジュール１ｉにて熱電発電が行われるよう
になる。
【００６４】
上記中温域用の熱電変換用モジュール１ｉにおける熱電発電により熱エネルギーの一部
が更に消費されることにより、熱流は、該中温域用の熱電変換用モジュール１ｉの各熱電
材料素子２ｅと３ｅを通過するときに更に温度低下され、低温域用の熱電変換用モジュー
ル１ｆにて良好な熱電性能が得られるような所要温度とされた後、該各熱電材料素子２ｅ
と３ｅの下端面同士を接続しているモジュール電極５より、低温域用の熱電変換用モジュ
ール１ｆの絶縁性基板６へ伝えられる。該低温域用の熱電変換用モジュール１ｆでは、上
記絶縁性基板６へ伝えられた熱により、各熱電材料素子２ｃと３ｃを直列に順次接続して
いるモジュール電極４と５のうち、上記絶縁性基板６に接合されている一方のモジュール
電極４が加熱されるようになるため、上記低温域用の熱電変換用モジュール１ｆにて熱電
発電が行われるようになる。その後、残存している熱は、ヒートシンク２９へ伝えられて
雰囲気中へ放散される。
【００６５】
上記のような熱電発電時には、熱源より上記挟持用部材２４に受けられた熱の一部が、
挟持用部材２４と低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの上端部の絶縁性基板６との間に
取り付けてある締付冶具としてのボルト２５ａを経て伝えられるようになるが、該ボルト
２５ａは、低温域用の熱電変換用モジュール１ｆにおける上端部の、すなわち、高温側と
なる絶縁性基板６までしか達しておらず、ヒートシンク２９と接して低温側となる絶縁基
板７やヒートシンク２９とは直接接していない。そのため、上記ボルト２５を経て伝えら
れる熱流は、低温域用の熱電変換用モジュール１ｆにおける上端部の絶縁性基板６より、
モジュール電極４を経て、低温域において優れた熱電性能を有するビスマス・テルル系の
熱電材料組成としてある各熱電材料素子２ｃ，３ｃに伝えられるようになり、低温域用の
熱電変換用モジュール１ｆにて熱電発電を行わせるための熱源として確実に利用すること
ができて、熱損失を抑えることができるようになる。
【００６６】
上記挟持用部材２４と、高温域用の熱電変換用モジュール１ｇのモジュール電極４との
接触部分、及び、該高温域用の熱電変換用モジュール１ｇのモジュール電極５と絶縁性基
板３３との接触部分、該絶縁性基板３３と中温域用の熱電変換用モジュール１ｉのモジュ
ール電極４との接触部分、該中温域用の熱電変換用モジュール１ｉのモジュール電極５と
低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの絶縁性基板６との接触部分は、いずれも接合され
ることなく単に接しているのみであって、モジュール広がり方向の相対変位を許容できる
ようにしてあることから、上記熱電発電時に、高温の熱源に曝される挟持用部材２４と、
高温域用の熱電変換用モジュール１ｇと、絶縁性基板３３と、中温域用の熱電変換用モジ
ュール１ｉと、低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの絶縁性基板６との間で、熱膨張す
るときの変形量に差が生じたとしても、上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇ及び中
温域用の熱電変換用モジュール１ｉの各熱電材料素子２ｄ，３ｄ及び２ｅ，３ｅに作用す
るモジュール広がり方向の熱応力を低減できて、該各熱電材料素子２ｄ，３ｄ及び２ｅ，
３ｅの熱応力による損傷を未然に防止することができる。
【００６７】
したがって、本実施の形態においても、図１に示したと同様の効果を得ることができる
。
【００６８】
次に、図５は、本発明の更に別の実施の形態として、熱電変換用カスケードモジュール
を構成する熱電変換用モジュールを、たとえば、３層とし、中間層の熱電変換用モジュー
ルを、低温側に隣接する熱電変換用モジュールの基板に一体に接合してなる形式とする場
合の適用例を示すものである。
【００６９】
すなわち、図４に示したと同様に、低温域用の熱電変換用モジュール１ｆと、中温域用
の熱電変換用モジュール１ｉと、両側スケルトン構造の高温域用の熱電変換用モジュール
１ｇとを順に積層してなる構成において、上記中温域用の熱電変換用モジュール１ｉを、
スケルトン構造とする構成に代えて、中温域用の熱電変換用モジュール１ｉを、中温域に
て良好な熱電性能が得られる熱電材料組成のＰ型及びＮ型の各熱電材料素子２ｅ及び３ｅ
と、これらの熱電材料素子２ｅと３ｅの一端部同士及び他端部同士をモジュール電極４及
び５により順次接続し、該各モジュール電極４及び５のうち、上方に位置するモジュール
電極４の上面（外側面）には、後述する絶縁性基板３５を、はんだ等を用いて接合してな
る構成とする。更に、該中温域用の熱電変換用モジュール１ｉは、下端部に位置するモジ
ュール電極５の下面（外側面）を、下側（低温側）に隣接することとなる上記低温域用の
熱電変換用モジュール１ｆにおける上端部の絶縁性基板６の上面に、はんだ等を用いて接
合する。
【００７０】
更に又、上記中温域用の熱電変換用モジュール１ｉの上端部に位置する上記絶縁性基板
３５の上側に、高温域用の熱電変換用モジュール１ｇと、図１に示したと同様の挟持用部
材２４とを順に積層配置し、該挟持用部材２４と上記中温域用の熱電変換用モジュール１
ｉにおける上端部の絶縁性基板３５とを、締付冶具としてのボルト２５とナット２６を用
いて上下方向から締め付けることにより、該挟持用部材２４と中温域用の熱電変換用モジ
ュール１ｉの上端部の絶縁性基板３５との間にて、上記高温域用の熱電変換用モジュール
１ｇを挟持させるようにする。
【００７１】
詳述すると、上記中温域用の熱電変換用モジュール１ｉの上端部の絶縁性基板３５は、
図１の実施の形態における低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの上端部の絶縁性基板６
と同様に、絶縁性と耐熱性を備えたアルミナや窒化アルミ等のセラミック製とすると共に
、各モジュール電極４の接合を行う領域よりも一回り大きなサイズを有するようにしてあ
り、モジュール電極４の接合と干渉しない外周縁部の周方向所要間隔位置には、上記挟持
用部材２４の外周縁部のボルト挿通孔２８と個別に対応する複数のボルト挿通孔３６を穿
設するようにしてある。これにより、図１に示した実施の形態にて挟持用部材２４と低温
域用の熱電変換用モジュール１ｆの上端部の絶縁性基板６との間で、高温域用の熱電変換
用モジュール１ｇを締付冶具としてのボルト２５とナット２６で締め付けることによって
保持させるようにした挟持構造と同様にして、挟持用部材２４と中温域用の熱電変換用モ
ジュール１ｉの上端部の絶縁性基板３５との間に高温域用の熱電変換用モジュール１ｇを
配置した状態にて、上方より上記挟持用部材２４のボルト挿通孔２８と、中温域用の熱電
変換用モジュール１ｉの上端部の絶縁性基盤３５のボルト挿通孔３６に貫通させたボルト
２５の先端部にナット２６を螺着させて締め込むことにより、該挟持用部材２４と中温域
用の熱電変換用モジュール１ｉの上端部の絶縁性基板３５とを上下方向の両側から締め付
けて、両者の間で上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇを挟んで保持させることがで
きるようにしてある。
【００７２】
なお、本実施の形態においては、上述したように、中温域用の熱電変換用モジュール１
ｉは低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの上端部の絶縁性基板６に接合するようにして
あると共に、高温域用の熱電変換用モジュール１ｇは、挟持用部材２４と、上記中温域用
の熱電変換用モジュール１ｉの上端部の絶縁性基板３５との間で挟持させるようにしてあ
ることから、上記低温域用の熱電変換用モジュール１ｆの上端部の絶縁性基板６には、ボ
ルト挿通孔を設ける必要はない。したがって、上記低温域用の熱電変換用モジュール１ｆ
の上端部の絶縁性基板６は、下端側の絶縁性基板７と同様の形状、構造とすればよい。
【００７３】
その他、図４に示したものと同一のものには同一符号が付してある。
【００７４】
本実施の形態によれば、本発明の熱電変換用カスケードモジュールを、たとえば、熱電
発電に用いる場合は、低温域用の熱電変換用モジュール１ｆにて外部に露出されている下
端部の絶縁性基板７を、低熱源となるヒートシンク２９に取り付けるようにし、一方、高
温域用の熱電変換用モジュール１ｇの上側に配されている挟持用部材２４を、受熱面とし
て高温の熱源に晒すことにより、図４に示したと同様に、高温域用の熱電変換用モジュー
ル１ｇ、中温域用の熱電変換用モジュール１ｉ、低温域用の熱電変換用モジュール１ｆに
より、それぞれ良好な熱電性能が得られる温度域で効率よく熱電発電を行わせることがで
きる。
【００７５】
上記のような熱電発電時には、熱源より上記挟持用部材２４に受けられた熱の一部が、
挟持用部材２４と中温域用の熱電変換用モジュール１ｉの上端部の絶縁性基板３５との間
に取り付けてある締付冶具としてのボルト２５を経て伝えられるようになるが、該ボルト
２５は、中温域用の熱電変換用モジュール１ｉにおける上端部の絶縁性基板３５までしか
達していないため、上記ボルト２５を経て伝えられる熱流は、中温域用の熱電変換用モジ
ュール１ｉ及び低温域用の熱電変換用モジュール１ｆにて熱電発電を行わせるための熱源
として確実に利用することができて、熱損失を抑えることができるようになる。
【００７６】
上記挟持用部材２４と、高温域用の熱電変換用モジュール１ｇのモジュール電極４との
接触部分、及び、該高温域用の熱電変換用モジュール１ｇのモジュール電極５と中温域用
の熱電変換用モジュール１ｉの絶縁性基板３５との接触部分は、いずれも接合されること
なく単に接しているのみであって、モジュール広がり方向の相対変位を許容できるように
してあることから、上記熱電発電時に、上記高温域用の熱電変換用モジュール１ｇの各熱
電材料素子２ｄ，３ｄに作用するモジュール広がり方向の熱応力を低減できて、該各熱電
材料素子２ｄ，３ｄの熱応力による損傷を未然に防止することができる。
【００７７】
なお、本実施の形態では、中温域用の熱電変換用モジュール１ｉに対しては、高温域用
の熱電変換用モジュール１ｇを通過するときに十分冷却された比較的低温の温度領域の温
度が作用することから、該中温域用の熱電変換用モジュール１ｉに対してモジュール広が
り方向に作用する熱応力はあまり大きなものとならない。更に、低温域用の熱電変換用モ
ジュール１ｆに作用する熱応力はより小さいものとなる。
【００７８】
したがって、本実施の形態においても、図１に示したと同様の効果を得ることができる
。
【００７９】
なお、本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、以下に示すような構
成としてもよい。すなわち、積層するスケルトン型熱電変換用モジュールの熱電材料素子
２ｃ，３ｃ，２ｄ，３ｄ，２ｅ，３ｅは、使用時に所望される温度域に合せてビスマス・
テルル系、鉛テルル系、シリコン・ゲルマニウム系、コバルト・アンチモン系、シリサイ
ド系等として、材料の基本元素を変化させることにより、良好な熱電性能の得られる温度
域が異なるようにしてもよく、あるいは、上記各系の材料の基本元素を変更せずに、各元
素の比率や、その他の添加元素や、製造方法（製造条件）を変えることにより、良好な熱
電性能の得られる温度域が異なるようにした熱電材料素子２ｃ，３ｃ，２ｄ，３ｄ，２ｅ
，３ｅを用いるようにしてもよい。
【００８０】
挟持用部材２４は、本発明の熱電変換用カスケードモジュールの使用環境に対応可能な
耐熱性を有し、且つ絶縁性を有するものであればいかなるものを用いるようにしてもよい
。
【００８１】
図１の実施の形態、図２の実施の形態、図４の実施の形態及び図５の実施の形態では、
締付冶具をボルト２５，２５ａとナット２６とし、又、図２の実施の形態では締付冶具を
外枠３０としたものをそれぞれ示したが、単数又は複数の熱電変換用モジュールを挟んで
配置してある挟持用部材２４と、所要の熱電変換用モジュールの上端部の絶縁性基板６，
３５とを上下方向の両側から締め付けて、該挟持用部材２４と上記所要の熱電変換用モジ
ュールの上端部の絶縁性基板６，３５との間に、上記単数又は複数の熱電変換用モジュー
ルを挟んで保持させることができれば、リベット、バネ等、ボルト２５，２５ａとナット
２６や、外枠３０以外にもいかなる締付冶具を用いるようにしてもよい。
【００８２】
積層するスケルトン型熱電変換用モジュールの数は、図１の実施の形態、図２の実施の
形態及び図３の実施の形態ではそれぞれ２層として、又、図４の実施の形態及び図５の実
施の形態ではそれぞれ３層として示したが、４層以上の熱電変換用モジュールを積層して
なる構成としてもよい。この場合、最も高温域用の熱電変換用モジュールと最も低温域用
の熱電変換用モジュールを除く中間層の各熱電変換用モジュールは、本発明の熱電変換用
カスケードモジュールの使用時に上記各中間層の熱電変換用モジュールごとに作用するこ
ととなる温度をそれぞれ考慮して、図４に示した実施の形態における中温域用の熱電変換
用モジュール１ｉのように、高温側に隣接する熱電変換用モジュールと一緒に、挟持用部
材２４と低温側に隣接する別の熱電変換用モジュールの基板との間で挟持させるようにす
るか、あるいは、図５に示した実施の形態における中温域用の熱電変換用モジュール１ｉ
のように、低温側に隣接する熱電変換用モジュールの基板に一体に接合する取付方法とす
るかを、該各中間層の熱電変換用モジュールごとに適宜選択すればよい。
【００８３】
本発明の熱電変換用カスケードモジュールは、熱電発電以外の熱電冷却や熱電加熱を行
うための熱電変換用モジュールにも適用できる。その場合には、加熱側の端部と冷却側の
端部との間で、締付冶具を介した熱伝導を防止できるため、熱電冷却や熱電加熱の効率の
向上化を図ることが可能になる。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変
更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の熱電変換用カスケードモジュールの実施の一形態を示す概略側面図である。
【図２】本発明の実施の他の形態を示す概略側面図である。
【図３】本発明の実施の更に他の形態を示す概略側面図である。
【図４】本発明の実施の別の形態を示す概略側面図である。
【図５】本発明の実施の更に別の形態を示す概略側面図である。
【図６】一般に用いられている熱電変換用モジュールの一例の概略を示す側面図である。
【図７】従来提案されている熱電変換用モジュールを示す概略側面図である。
【図８】従来提案されている熱電変換用モジュールを示す概略側面図である。
【図９】従来提案されている熱電変換用カスケードモジュールを示す概略側面図である。
【図１０】従来の熱電変換用カスケードモジュールの他の例を示す概略側面図である。
【符号の説明】
【００８５】
１ｆ，１ｇ，１ｈ，１ｉ  熱電変換用モジュール
６  絶縁性基板
７  絶縁性基板
２４  挟持用部材（受熱板）
２５，２５ａ  ボルト（締付冶具）
２６  ナット（締付冶具）
３０  外枠（締付冶具）
３５  絶縁性基板
【図１】
2006245224.tif 000003
【図２】
2006245224.tif 000004
【図３】
2006245224.tif 000005
【図４】
2006245224.tif 000006
【図５】
2006245224.tif 000007
【図６】
2006245224.tif 000008
【図７】
2006245224.tif 000009
【図８】
2006245224.tif 000010
【図９】
2006245224.tif 000011
【図１０】
2006245224.tif 000012